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ChemElectroChem:一锅法制备拉伸应变PdRuCu二十面体及电化学烯烃加氢性能研究

WileyChem WileyChem 2022-05-10

杭州师范大学高鹏课题组报道了一种用于电化学烯烃加氢反应的PdRuCu合金二十面体。该工作通过简单的一锅法制备了暴露(111)晶面的PdRuCu核壳二十面体,该二十面体内核是富Pd合金,外层是PdRuCu合金,其(111)晶面具有+4.5%拉伸应变。


不饱和化学键氢化作为一种重要的工业催化,广泛应用于生物质转化和药物合成等领域。传统的热化学氢化需要用到氢气作为前驱体,工业氢气主要是通过水煤气转化或甲烷裂解反应制得,该过程需要消耗大量能源,而且氢气作为气源也具有一定的安全隐患。电化学氢化利用电驱动质子(H+)还原进行加氢,相较于传统热催化加氢而言,可以大大减少能源供应和降低环境污染,是传统热加氢的理想替代方案。增强催化剂的电化学加氢性能的关键在于提高不饱和化学键在催化剂表面的转化速率以及降低竞争性析氢反应以提高电子利用效率。


基于此考虑,该工作设计了具有拉伸应变的PdRuCu二十面体。PdRuCu二十面体中存在的拉伸应变和合金结构的协同作用,增强了电化学加氢性能。拉伸应变可以提升d带中心,增强不饱和C=C键在PdRuCu二十面体表面的吸附。然而,拉伸应变也同时增强了Pd-Hads键,抑制了后续Hads的转移,从而降低了电化学加氢活性。通过在Pd晶格中引入Ru和Cu形成PdRuCu合金,削弱了Pd-Hads键,进一步增强电化学加氢活性。


得益于上述的结构优点,PdRuCu 二十面体表现出优异的电化学加氢活性以及稳定性,在电化学催化2-甲基-3-丁烯-2-醇(MBE)加氢时,在-0.3 V(相对于可逆氢电极)时达到了227.4 μmolMBE nm-2 min-1的最高比活性,分别比商业Pd/C和Ru/C的比活性高约16.1倍和10.5倍。通过进一步在阳极耦合茴香醇氧化反应,成功实现了在阴极发生氢化反应,阳极发生氧化反应得到高附加值的茴香醛,这不仅可以得到高附加值产物,还可以进一步提高电子利用效率,显示出广阔的应用前景。以上研究从拉伸应变和合金结构的角度为设计高活性、高稳定性和高效的电化学加氢催化剂提供了一种新的思路。

图1. PdRuCu二十面体用于电化学氢化示意图。

图2. (A) PdRuCu二十面体催化剂在不同电势下的转化率,以及(B)相应的法拉第效率。(C)不同催化剂在-0.3 V下的转化率对比图,(D)比活性比较。

论文信息:

One-Pot Synthesis of Tensile-Strained PdRuCu Icosahedra toward Electrochemical Hydrogenation of Alkene

Kaili Zhu, Xudong Xu, Mengqiu Xu, Ping Deng, Wenbo Wu, Dr. Wei Ye, Zihui Weng, Yue Su, Huijie Wang, Fei Xiao, Zeping Fang, Prof. Peng Gao


ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202100827

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ChemElectroChem是经过同行评议的科学期刊,发表有关纯电化学和应用电化学的原创性研究。它由Wiley-VCH代表欧洲化学出版协会出版,是Wiley-VCH出版的其他科学期刊的姊妹刊物。该期刊涵盖能源应用,异相催化,界面/表面电化学,光电化学和生物电化学等主题。


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